辛 毅

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

山西省境內(nèi)多數(shù)礦井煤層具有淺埋深、多煤層、近距離等特征，在開采上部煤層過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效快速掘進(jìn)，改善施工條件，采用了雙巷掘進(jìn)方式。為了避免新掘巷道受到采空區(qū)應(yīng)力破壞，通常在采空區(qū)一側(cè)留設(shè)15～30 m 保護(hù)煤柱，造成煤柱資源嚴(yán)重?fù)p失[1-5]。山西晉神沙坪煤礦9203 工作面首次嘗試沿空留巷技術(shù)，并對(duì)技術(shù)方案和支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化，完善了先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，減少了煤柱資源損失。

1 工程概況

沙坪煤業(yè)9203 工作面位于9#煤層南翼采區(qū)，9203 工作面運(yùn)輸巷北部鄰9#煤輔運(yùn)大巷，南部鄰近井田邊界，西部為設(shè)計(jì)9202 工作面未采區(qū)，東部為9204 工作面采空區(qū)，上覆8#煤1817 工作面采空區(qū)。地面標(biāo)高+1012～+1139 m，煤層底板標(biāo)高+876.0～+882.2 m，蓋山厚度約163.5 m，屬于淺埋深煤層。9203 工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1410 m，回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1421 m，可采長(zhǎng)度1360 m，采面內(nèi)煤層厚度3.3～4.7 m，平均煤厚3.8 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含有1 層夾矸，夾矸巖性多為碳質(zhì)泥巖，層厚0.1～0.2 m。9204 工作面為9#煤層南翼采區(qū)首采工作面，采用雙巷掘進(jìn)方式，目前已回采完畢。9203 工作面運(yùn)輸巷留設(shè)20 m 區(qū)段煤柱，北部因地表建筑物留設(shè)保護(hù)煤柱，停采線前移。9202 和9201 工作面因受相鄰采面及上部采空區(qū)老窯影響，工作面呈臺(tái)階狀布置。如圖1。

圖1 9#煤層南翼采區(qū)工作面分布情況

工作面地質(zhì)和水文條件簡(jiǎn)單，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)較大褶皺及斷裂，無(wú)陷落柱，偶見(jiàn)落差為0.5～1.0 m 的正斷層。原始地層覆巖中存在弱含水層，上覆1817 工作面回采后，采空區(qū)在標(biāo)高較低處形成有局部積水，巷道掘進(jìn)過(guò)程中已提前施工鉆孔預(yù)疏放。9203 運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間留設(shè)有排水設(shè)施及水倉(cāng)，防止相鄰9204 工作面采空區(qū)涌水進(jìn)入巷道。工作面頂?shù)装鍘r性情況如圖2。為預(yù)防上覆8#煤層采空區(qū)內(nèi)遺留大量煤柱易導(dǎo)致下部9#煤層工作面回采期間發(fā)生動(dòng)壓事故，設(shè)計(jì)9203 工作面外段回風(fēng)巷進(jìn)行沿空留巷，作為9202 工作面的運(yùn)輸巷使用，實(shí)現(xiàn)巷道重復(fù)利用。

圖2 9203 工作面頂?shù)装迕簬r層綜合柱狀圖

2 沿空留巷技術(shù)方案

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，沿空留巷多采用巷旁充填留巷技術(shù)，充填物多以柔膜混凝土和高水充填材料為主，材料特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 柔膜混凝土與高水材料充填留巷技術(shù)對(duì)比

根據(jù)施工效率、材料成本和工程量等對(duì)比，結(jié)合沙坪礦采空區(qū)條件，確定9203 工作面回風(fēng)巷外段采用高水充填材料。基于Winkler 彈性地基梁假設(shè)，結(jié)合沿空留巷力學(xué)模型，得出充填體切頂阻力為15.6 MN/m。不同水灰比和所需充填體寬度見(jiàn)表2。據(jù)表2 分析，當(dāng)水灰比達(dá)到1.5:1 時(shí)，充填體平均強(qiáng)度為10.6 MPa，充填體理論寬度為1.56 m；水灰比達(dá)到0.8:1 時(shí)，充填體平均強(qiáng)度15.8 MPa，充填體理論寬度為0.975 m；水灰比達(dá)到0.6:1 時(shí)，充填體平均強(qiáng)度22.3 MPa，充填體理論寬度計(jì)算值為0.70 m。經(jīng)綜合分析對(duì)比，并結(jié)合9203 工作面回風(fēng)巷在回采過(guò)程中頂板回轉(zhuǎn)下沉偏應(yīng)力作用等情況，決定選取水灰比0.8:1，充填體寬度0.975 m，為便于施工取整為1 m。在原巷道靠近9203 工作面采空區(qū)一側(cè)施工充填體，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)巷道抗壓穩(wěn)定性目的。

表2 巷旁充填體材料配比及工藝參數(shù)

9203 工作面在回采過(guò)程中使用錨索材料在巷內(nèi)進(jìn)行頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，對(duì)頂板輔助以切頂卸壓，從9203 工作面垮落段結(jié)束前20 m 開始施工切頂預(yù)裂鉆孔，通過(guò)預(yù)裂鉆孔實(shí)施定向爆破，人工造成頂板定向斷裂，避免采空區(qū)頂板無(wú)規(guī)則垮落后對(duì)留巷段支護(hù)和充填墻體造成應(yīng)力擠壓。根據(jù)爆破實(shí)際和內(nèi)窺鏡觀察，爆破后裂隙延伸影響范圍可達(dá)0.6～0.8 m，未達(dá)到理想爆破效果。選取孔間距為1.5 m，距幫0.3 m 打設(shè)，預(yù)裂卸壓孔超前采面30 m 進(jìn)行提前爆破，采空區(qū)中擋矸支架超前位置對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)打錨索和掛網(wǎng)加固，保證頂板在周期來(lái)壓時(shí)具有足夠的抗壓強(qiáng)度。施工時(shí)，在架后6～10 m 構(gòu)筑充填體，靠近采空區(qū)側(cè)澆筑1 m 的充填墻體，單元架滯后加強(qiáng)支護(hù)掩護(hù)巷旁充填體強(qiáng)度逐漸增大。9203 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)寬度5.6 m，掘進(jìn)高度3.7 m，日回采進(jìn)尺8 m，留巷的巷道寬度為4.6 m。工作面采用兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)方式，在9203工作面的回風(fēng)巷一側(cè)進(jìn)行留巷。

3 無(wú)煤柱回采巷道分區(qū)域高效支護(hù)技術(shù)

9203 工作面回風(fēng)留巷段支護(hù)方案如圖3。9203工作面回風(fēng)巷根據(jù)開采順序和巷道維護(hù)特征可分為3 段，即垮落段Ⅰ、留巷段Ⅱ和煤柱段Ⅲ（如圖1 中所示）。巷道兩幫有回采一側(cè)為正幫，正幫采用玻璃鋼錨桿支護(hù)，減小回采過(guò)程干擾，利于提高回采效率。根據(jù)巷道服務(wù)周期內(nèi)的采動(dòng)作用不同，9203 回風(fēng)巷分為單側(cè)采動(dòng)影響段和雙側(cè)采動(dòng)影響段。9203 工作面初采時(shí)垮落段區(qū)域不留巷，回采至9202 工作面切眼位置時(shí)開始留巷，垮落段Ⅰ長(zhǎng)度429 m，留巷段Ⅱ全長(zhǎng)932 m，巷道支護(hù)方式如圖3 示。幫錨間排距1200 mm×1000 mm，頂錨間排距1000 mm×1000 mm，螺紋鋼錨桿參數(shù)為Φ18 mm×2000 mm，錨固劑為1 卷/眼CK23600 型樹脂錨固劑，錨固方式為端部錨固。正幫施工選用玻璃鋼錨桿為Φ22 mm×2000 mm，錨固劑1 卷/眼CK23600 型樹脂錨固劑，錨固方式為端部錨固。錨索為Φ17.8 mm×6300 mm，雙排打設(shè)矩形布置，間排距2000 mm×2000 mm，順槽與硐室交叉口15 m 范圍內(nèi)錨索配套W 鋼帶加強(qiáng)支護(hù)，錨固劑為2 卷/眼CK23600 型樹脂錨固劑。煤柱段Ⅲ巷道長(zhǎng)60 m，回采過(guò)程受單側(cè)采動(dòng)影響，支護(hù)方案與垮落段相同。

圖3 垮落段與煤柱段巷道支護(hù)斷面圖（mm）

留巷段Ⅱ全長(zhǎng)932 m，需經(jīng)歷兩次采動(dòng)影響，即垮落段產(chǎn)生的頂板向外傳導(dǎo)動(dòng)壓影響和留巷段9203 工作面采空區(qū)形成的側(cè)壓影響。根據(jù)留巷需要可適當(dāng)增大支護(hù)密度，支護(hù)設(shè)計(jì)如圖4 所示。頂錨桿選用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，打設(shè)間排距為1000 mm×1000 mm，每排布置6 根，呈矩形設(shè)計(jì)。錨固劑為1 卷/眼CK23600 型樹脂錨固劑，錨固方式為端部錨固。幫錨桿為Φ28 mm×2400 mm 玻璃鋼錨桿，間排距1000 mm×1000 mm，每排4 根，呈矩形布置。錨固劑1 卷/眼CK23600 型樹脂錨固劑，錨固方式為端部錨固。錨索打設(shè)改為三排矩形布置，設(shè)計(jì)間排距為1500 mm×2000 mm，選用Φ21.6 mm×6300 mm 的鋼絞線錨索。錨固劑為3 卷/眼CK23600 型樹脂錨固劑，要求成孔錨固后，每根錨索錨固力不低于470 kN，預(yù)應(yīng)力不低于290 kN。

圖4 留巷段巷道支護(hù)斷面圖（mm）

4 留巷工藝應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

1）留巷施工工藝

整個(gè)留巷按照“割煤→超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)→超前切頂卸壓→架前掛網(wǎng)→移架→滯后加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)→構(gòu)筑充填體→移動(dòng)擋矸支架”的工藝施工。支架側(cè)待澆筑空間的圍護(hù)是安全和高質(zhì)量構(gòu)筑巷旁充填體的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，待澆筑空間是指巷旁支護(hù)施工前，采用臨時(shí)支護(hù)控制頂板的范圍。澆筑空間越大，頂板穩(wěn)定性越差，采空區(qū)有害氣體和矸石涌入留巷內(nèi)的數(shù)量和機(jī)會(huì)就越多。為有效控制留巷工藝的施工空間，首先需調(diào)整好端頭支架的位置，控制支架上竄和下滑距離不超過(guò)500 mm；其次需要做好架前鋪網(wǎng)，留巷端頭5 架范圍內(nèi)進(jìn)行架前鋪網(wǎng)，網(wǎng)寬1 m，搭接緊密，延伸至留巷內(nèi)500 mm，保證頂板的完整性；確保頂煤不進(jìn)入充填采空范圍內(nèi)，充填體構(gòu)筑2 h 以上，回撤充填體周圍單元支架后開始移動(dòng)擋矸支架。

2）頂板破碎程度評(píng)估

根據(jù)初期設(shè)計(jì)，9203 工作面回風(fēng)巷留巷段設(shè)計(jì)全長(zhǎng)932 m，巷道在掘進(jìn)期間由于支護(hù)不到位，以及煤層賦存厚度出現(xiàn)變化頂板支護(hù)不及時(shí)等因素影響，共計(jì)出現(xiàn)頂板破碎地帶總長(zhǎng)度為274 m 左右，其他地點(diǎn)頂板條件相對(duì)完整。開始留巷期間，通過(guò)采取打設(shè)頂幫錨桿、錨索，同時(shí)部分區(qū)段巷道采取噴漿封閉措施后，對(duì)巷道進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，取得了一定的支護(hù)效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回采期間觀察，將頂板破碎情況按照損壞程度和影響區(qū)段等劃分為嚴(yán)重破碎、較破碎、一般破碎和局部破碎等條件，得出觀察結(jié)論見(jiàn)表3。

據(jù)表3 分析可知，在原掘進(jìn)區(qū)段破碎帶總長(zhǎng)度274 m 基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)留巷段的支護(hù)加固，回采期間動(dòng)壓對(duì)巷道頂板產(chǎn)生影響，造成頂板嚴(yán)重破碎區(qū)域只有37 m，約占破碎段總長(zhǎng)度的13.5%；較破碎段巷道頂板為52 m，占比為18.9%；一般破碎段巷道長(zhǎng)度33 m，占比為12%；局部破碎段巷道長(zhǎng)度16 m，占比僅為5.8%。綜上所述，能夠?qū)ο锏理敯宸€(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響的區(qū)段只占32.4%左右，相較于掘進(jìn)期間的頂板破壞影響，沿空留巷支護(hù)技術(shù)具有顯著加固保護(hù)效果。

3）巷道變形量分析

為了更加直觀反映沿空留巷段巷道在工作面回采期間受到應(yīng)力作用后，對(duì)巷道變形產(chǎn)生的具體影響情況，在留巷段巷道內(nèi)設(shè)置若干個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn)，隨著回采時(shí)間和推進(jìn)距離的推移，頂板離層不斷變化，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀察將觀測(cè)結(jié)果繪制成圖5。

圖5 巷道頂?shù)装逡平孔兓?/p>

如圖5 所示，在工作面回采期間，切眼推進(jìn)進(jìn)入留巷段內(nèi)，開始觀測(cè)記錄動(dòng)壓對(duì)頂?shù)装逡平康挠绊戧P(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，開始階段就出現(xiàn)明顯離層和底鼓現(xiàn)象，移近量數(shù)據(jù)快速升高；待觀察到第45 天時(shí)，頂?shù)装逡平窟_(dá)到151 mm；然后繼續(xù)觀察，移近速度逐漸趨緩，最終穩(wěn)定在178 mm 左右。此外，對(duì)巷道兩幫側(cè)壓影響進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，兩幫最大移近量只達(dá)到166 mm 左右，采動(dòng)期間整體動(dòng)壓未對(duì)巷道變形造成較大影響，沿空留巷支護(hù)起到補(bǔ)強(qiáng)作用。

4）回采煤柱經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)沙坪煤礦現(xiàn)有生產(chǎn)條件，以9203 工作面為例，原本采用雙巷掘進(jìn)需要開掘兩條巷道，支護(hù)材料消耗翻倍，采用沿空留巷技術(shù)后有效緩解采掘接替緊張程度；掘進(jìn)用工顯著減少，原本需要兩個(gè)掘巷隊(duì)伍，降低為1 個(gè)掘巷隊(duì)伍；均攤設(shè)備投資與施工耗材，每米留巷維護(hù)費(fèi)用僅為5500 元左右；取消了原計(jì)劃的20 m 寬區(qū)段保護(hù)煤柱，通過(guò)現(xiàn)行市場(chǎng)煤價(jià)和新增煤柱資源產(chǎn)量等計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)增加企業(yè)利潤(rùn)收入6000 萬(wàn)元～8000 萬(wàn)元左右（噸煤售價(jià)按600 元計(jì)）；顯著提高了煤炭資源的采出率，在杜絕資源浪費(fèi)的基礎(chǔ)上，增加了企業(yè)收入效益。

5）留巷生產(chǎn)成本分析

掘進(jìn)期間按照全煤巷道單米進(jìn)尺成本投入2543元/m，留巷段支護(hù)材料和補(bǔ)強(qiáng)材料投入成本1364元/m 計(jì)算，需要沿空留巷段總長(zhǎng)度635 m，采取正常掘進(jìn)方式需投入161.48 萬(wàn)元，采取沿空留巷方式需投入86.61 萬(wàn)元，通過(guò)降低支護(hù)成本投入可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益為74.87 萬(wàn)元。此外，按照正常掘進(jìn)速度，單月煤巷進(jìn)尺可實(shí)現(xiàn)155 m 左右，相較于沿空留巷技術(shù)方案，重新掘進(jìn)巷道需要至少延長(zhǎng)約4.5個(gè)月的工期，嚴(yán)重影響了采掘接替。根據(jù)瓦斯治理需求，按照每米掘進(jìn)進(jìn)尺鉆孔投入單價(jià)約為3276 元，留巷段瓦斯治理鉆孔成本投入需208 萬(wàn)元。綜上所述，采取沿空留巷技術(shù)措施后可累計(jì)降低巷道總成本投入約282.89 萬(wàn)元，縮短掘進(jìn)周期4.5 個(gè)月。

5 結(jié)論

1）根據(jù)沙坪礦采空區(qū)積水情況，對(duì)9203 工作面運(yùn)輸巷采用高水充填沿空留巷技術(shù)。充填時(shí)，水灰比選取0.8:1，考慮回采過(guò)程中頂板回轉(zhuǎn)下沉的偏應(yīng)力作用，選取充填體寬度為1.0 m，留巷的巷道寬度為4.6 m，架后6～10 m 構(gòu)筑充填體。

2）受老窯采空區(qū)分布及地表建筑的影響，9203 工作面回風(fēng)巷根據(jù)開采順序和巷道維護(hù)特征可分為3 段，即垮落段Ⅰ、留巷段Ⅱ和煤柱段Ⅲ，垮落段Ⅰ長(zhǎng)度429 m，留巷段Ⅱ全長(zhǎng)932 m，煤柱段留設(shè)60 m。無(wú)煤柱回采巷道分段進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，根據(jù)留巷需要，增大了支護(hù)錨桿、錨索的施工密度。

3）9203 工作面運(yùn)輸巷可節(jié)省支護(hù)材料費(fèi)用282.89 萬(wàn)元，縮短掘進(jìn)工期4.5 個(gè)月，降低了萬(wàn)噸掘進(jìn)率，提高了生產(chǎn)效率，有效解決了礦井采掘接續(xù)緊張，確保礦井實(shí)現(xiàn)安全高效目標(biāo)。